Simulace obřího vesmíru pokrývajícího miliardy světelných let je dosud největší

Největší hádanky, kterým dnes astronomové a kosmologové čelí, jsou role, které gravitace a expanze vesmíru hrají ve vývoji vesmíru.

K vyřešení těchto záhad astronomové a kosmologové používají dvojí přístup. Ty spočívají v přímém pozorování vesmíru za účelem pozorování těchto sil v akci a zároveň se snaží najít teoretická řešení pozorovaného chování – jako např. temná hmota A temná energie.

Mezi těmito dvěma přístupy vědci modelují kosmický vývoj pomocí počítačových simulací, aby zjistili, zda jsou pozorování v souladu s teoretickými předpověďmi. Poslední je pultová deska, simulační sada vytvořená institutem Flatiron Centrum výpočetní astrofyziky (CCA) a Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA).

Schopné zpracovat přibližně 60 bilionů částicTato sada je největší vesmírnou simulací, která kdy byla vyrobena.

Tvůrci AbacusSummit oznámili simulační sadu v sérii dokumentů, které se objevily Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti (MNRAS).

Skládá se z více než 160 simulací a zobrazuje, jak se částice chovají v prostředí ve tvaru krabice vlivem gravitační přitažlivosti. Tyto modely jsou známé jako N-body simulace a jsou nezbytné pro modelování jak temná hmota Interaguje s baryonickým (také známým jako „viditelný“).

Vývoj simulační skupiny AbacusSummit vedl Lehman Garrison (CCA Research Fellow) a Nina Maksimova a Daniel Eisenstein, postgraduální student a profesor astronomie na CfA (v tomto pořadí).

Simulace běží dál Summit superpočítač V Počítačové zařízení Oak Ridge Driving (ORLCF) v Tennessee – pod dohledem amerického ministerstva energetiky (DoE).

Výpočty N-těl, které se skládají z výpočtu gravitační interakce planet a jiných těles, patří k největším výzvám, kterým dnes astrofyzici čelí.

Část toho, co dělá to skličující, je, že každý objekt interaguje s každým jiným objektem, bez ohledu na to, jak daleko jsou od sebe – čím více studovaných objektů, tím více interakcí je třeba vzít v úvahu.

Dosud stále neexistuje řešení problémů s N-tělesy, kde se jedná o tři nebo více megaobjektů, a dostupné výpočty jsou pouze přibližné. Například matematika výpočtu interakce tří těles, jako je dvojhvězdný systém a planeta (známá jako „problém tří těles“), dosud nebyla vyřešena.

Běžnou metodou v kosmologických simulacích je zastavit hodiny, vypočítat celkovou sílu působící na každý objekt, pomalu posouvat čas vpřed a opakovat.

Pro svůj výzkum (vedený Maksimovou) tým navrhl vlastní kódovou základnu (nazvanou Abacus), aby využil výhody paralelního výpočetního výkonu Summit – kde lze provádět mnoho výpočtů současně.

Také spoléhali na strojové učení Algoritmy a nová skalární metoda, která jim umožnila počítat 70 milionů částic na uzel/s v raných dobách a 45 milionů aktualizací částic na uzel/s v pozdějších dobách.

Jak nedávno zdůraznil Garrison Tisková zpráva CCA:

„Tato skupina je tak velká, že pravděpodobně obsahuje více částic než všechny ostatní simulace N-těl, které byly provedeny dohromady – i když je těžké to zjistit. Galaktické průzkumy poskytují velmi podrobné mapy vesmíru a my potřebujeme podobnou ambiciózní simulace, která pokrývá širokou škálu možných vesmírů, ve kterých můžeme žít.

„AbacusSummit je první taková sada simulací, které jsou tak široké a přesné, aby je bylo možné srovnávat s těmito úžasnými pozorováními… Naší vizí bylo vytvořit tento kód, který poskytne simulace potřebné pro tento zcela nový galaktický průzkum. Napsali jsme kód pro spuštění simulace mnohem rychlejší a přesnější než kdy jindy.“

Kromě obvyklých výzev vyžaduje provádění úplných simulací výpočtů N-těl, aby byly algoritmy navrženy pečlivě kvůli veškerému úložišti paměti.

To znamená, že Abacus nemohl vytvořit kopie simulace pro různé uzly superpočítačů, na kterých by mohly pracovat, a místo toho rozdělit každou simulaci do sítě. Ta spočívá v provádění přibližných výpočtů vzdálených částic, které hrají menší roli než blízké částice.

Poté rozdělí sousední částice do více buněk, takže počítač může pracovat na každé z nich samostatně, a poté zkombinuje výsledky každé z nich aproximací vzdálenějších částic.

Výzkumný tým zjistil, že tento přístup (jednotné dělení) lépe využívá paralelní zpracování a umožňuje vypočítat velké množství aproximací vzdálených částic před začátkem simulace.

Jde o výrazné zlepšení oproti jiným bázím kódu N-těl, které nepravidelně porušují simulace na základě distribuce částic.

Díky svému designu je počítadlo schopno aktualizovat 70 milionů částic každý uzel/sekundu (kde každá částice představuje hmotu temné hmoty se třemi miliardami slunečních hmot). Může také analyzovat simulace během jejich běhu a hledat skvrny temné hmoty, které naznačují přítomnost jasných galaxií, které tvoří hvězdy.

Tyto a další kosmické objekty budou předmětem budoucích studií mapujících vesmír do nebývalých podrobností. Tyto zahrnují Spektrofotometr temné energie (DESI) a Římský vesmírný dalekohled Nancy Grace (RST) a ESA Euklides Vesmírná loď.

Jedním z cílů těchto velkorozpočtových misí je zlepšit odhady kosmologických a astrofyzikálních parametrů, které určují, jak se vesmír chová a jak vypadá.

To zase umožní podrobnější simulace, které využívají aktualizované hodnoty pro různé parametry, jako např temná energie.

Daniel C. Eisenstein, výzkumník CfA a spoluautor článku, je také členem DESI Collaboration. On a jemu podobní se těší na to, co může počítadlo udělat pro tyto kosmické průzkumy v příštích letech.

„Kosmologie letí kupředu díky interdisciplinárnímu spojení úžasných pozorování a moderních počítačů,“ řekl.

„Příští desetiletí slibuje, že bude fascinujícím věkem v našem studiu historického pohybu vesmíru.“

Tento článek původně publikoval vesmír dnes. Číst Původní článek.